JP4344603B2 - Wafer heating device - Google Patents
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Description
本発明は、主にウェハを加熱するのに用いるセラミックヒーターに関するものであり、例えば、半導体ウェハや液晶基板あるいは回路基板等のウェハ上に半導体薄膜を生成したり、上記ウェハ上に塗布されたレジスト液を乾燥焼き付けしたりしてレジスト膜を形成するのに好適なものである。 The present invention mainly relates to a ceramic heater used to heat the wafer, for example, to produce a semiconductor thin film on a semiconductor wafer or a liquid crystal substrate or on a wafer such as a circuit board, which is applied on top Symbol wafer It is suitable for forming a resist film by drying and baking a resist solution.
例えば、半導体製造装置の製造工程における、半導体薄膜の成膜処理、エッチング処理、レジスト膜の焼き付け処理等においては、半導体ウェハ(以下、ウェハと略す)を加熱するためにウェハ加熱装置が用いられている。 For example, a wafer heating apparatus is used to heat a semiconductor wafer (hereinafter abbreviated as a wafer) in a semiconductor thin film forming process, an etching process, a resist film baking process, and the like in a manufacturing process of a semiconductor manufacturing apparatus. Yes.
従来の半導体製造装置は、まとめて複数のウェハを成膜処理するバッチ式のものが使用されていたが、ウェハの大きさが8インチから12インチと大型化するにつれ、処理精度を高めるために、一枚ずつ処理する枚葉式と呼ばれる手法が近年実施されている。しかしながら、枚葉式にすると1回当たりの処理数が減少するため、ウェハの処理時間の短縮が必要とされている。このため、ウェハ支持部材に対して、ウェハの加熱時間の短縮、ウェハの吸着・脱着の迅速化と同時に加熱温度精度の向上が要求されていた。 Conventional semiconductor manufacturing equipment used batch-type processing that forms a plurality of wafers together. To increase processing accuracy as the wafer size increases from 8 inches to 12 inches, , a technique called single wafer to be processed one not a one has been conducted in recent years. However, if the single wafer type is used, the number of processes per process is reduced, so that it is necessary to shorten the wafer processing time. For this reason, the wafer support member has been required to shorten the heating time of the wafer, speed up the wafer adsorption / desorption, and improve the heating temperature accuracy.
このうちウェハ上へのレジスト膜の形成にあたっては、図4に示すような、窒化アルミニウムや炭化珪素等のセラミックスからなる板状セラミックス体32の一方の主面を、ウェハWを載せる載置面33とし、他方の主面には絶縁層34を介して抵抗発熱体35および給電部36が設置され、さらに弾性体38により導通端子37が給電部36に押圧固定された構造のセラミックヒーター31が用いられていた。そして、上記板状セラミックス体32は支持体41にボルト47により固定され、さらに板状セラミックス体32の内部には測温素子40が挿入され、これにより板状セラミックス体32の温度を所定の温度に保つように、導通端子37から抵抗発熱体35に供給される電力を調節するシステムとなっていた。また、導通端子37は、板状構造部43に絶縁材39を介して固定されていた。
Among these, in forming the resist film on the wafer, one main surface of a plate-like
そして、セラミックヒーター31の載置面33には、有底孔45に挿入された支持ピン44が設置されており、ウェハWを載置面33に載せた際にウェハWが載置面33から非接触となるようにしている。そして、該支持ピン44上にレジスト液が塗布されたウェハWを載せた後、抵抗発熱体35を発熱させることにより、板状セラミックス体32を介して載置面33上のウェハWを加熱し、レジスト液を乾燥焼付けしてウェハW上にレジスト膜を形成するようになっていた。
The
また、板状セラミックス体32を構成するセラミック材料としては、窒化物セラミックスまたは炭化物セラミックスが用いられていた。
Further, as the ceramic material constituting the plate-like
近年、半導体配線の微細化の為に用いられるようになってきた化学増幅型レジストの熱処理に於いては、ウェハWを板状セラミックス体31の上に差し替えした際に温度が安定するまでの過渡特性、ウェハW面内の温度バラツキが、露光後のレジストの化学増幅処理に極めて重要であり、従来に増して、緻密かつ応答性の良い温度制御が必要となってきた。
In the heat treatment of a chemically amplified resist that has been used for the miniaturization of semiconductor wiring in recent years , a transient until the temperature is stabilized when the wafer W is replaced on the plate-like
特許文献1には、板状セラミックス体32として窒化物セラミックを使用し、発熱体近傍の温度を測定しながら、温度制御する方法が開示されている。このウェハ加熱装置31に電力を投入すると、ウェハWの載置面33の温度が上がり始めるが、載置面33の外周部の温度の方の表面温度が低くなることから、外周部の熱引きによる温度低下を考慮し、板状セラミックス体32の温度分布は、定常時の設定温度に対して温度分布が均一になるように抵抗発熱体35が設計されていた。すなわち、載置面33の外周部からの熱引きを考慮して、抵抗発熱体35の外周部の抵抗が抵抗発熱体35の中央部の抵抗よりも大きくして、中央部と外周部の温度差の小さい板状セラミックス体32となっていた。
しかしながら、ウェハWを板状セラミックス体32の上に差し替えた際に温度が安定するまでの過渡時のウェハ面内の温度のオーバーシュート量が大きいという課題があった。
However, when the wafer W is replaced on the plate-like
また、大型の300mm以上のウェハWを加熱するウェハ加熱装置においては、設定温度に加熱した場合、中央と外周の昇温カーブが異なってしまい、ウェハWの面内の温度が一定になるまでの温度安定時間が長いとの課題があった。 Further, in a wafer heating apparatus that heats a large wafer W of 300 mm or more, when heated to a set temperature, the temperature rise curves at the center and the outer periphery are different, and the temperature within the surface of the wafer W becomes constant. temperature stabilization time there was a long thread of challenges.
本発明においては、板状セラミックの温度挙動に着目し、板状セラミックス体の表面または内部に複数の帯状の抵抗発熱体を形成し、上記板状セラミックス体の各発熱抵抗体に対応する位置に凹部を設けるとともに該凹部に測温素子を備えたウェハ加熱装置において、上記板状セラミックス体の最外周に配設した複数の帯状の抵抗発熱体の少なくとも一つは、該抵抗発熱体を囲む領域の中心部に測温素子を備え、該測温素子の近傍の電力密度が、上記測温素子に対応する帯状の抵抗発熱体の平均電力密度より小さいことを特徴とする。 In the present invention, paying attention to the temperature behavior of the plate-like ceramic, a plurality of strip-like resistance heating elements are formed on the surface or inside of the plate-like ceramic body, and the plate-like ceramic body is positioned at a position corresponding to each heating resistor. In the wafer heating apparatus provided with a recess and provided with a temperature measuring element in the recess, at least one of the plurality of strip-like resistance heating elements disposed on the outermost periphery of the plate-like ceramic body is an area surrounding the resistance heating element comprising a temperature measuring element in the center of the power density in the vicinity of the temperature measurement element may be smaller than the average power density of the belt-shaped resistance heating element corresponding to the temperature measuring element.
また、上記測温素子の近傍の電力密度は、上記抵抗発熱体の平均電力密度の40〜90%であることを特徴とする。 The power density in the vicinity of the temperature measuring element is 40 to 90% of the average power density of the resistance heating element.
また、上記板状セラミックス体の熱伝導率に対して8.3〜150%の熱伝導率を有する充填剤で上記測温素子を上記凹部に固定したことを特徴とする。 Further, characterized in that fixed on the SL temperature measuring element on SL recess with a filler having a 8.3 to 150% of the thermal conductivity with respect to the thermal conductivity of the plate-like ceramic body.
また、上記充填剤の気孔率が0.1%〜50%であることを特徴とする。 The porosity of the upper Symbol filler is characterized in that 0.1% to 50%.
更に、上記充填剤の熱膨張係数が上記板状セラミックス体の熱膨張係数に対し43〜214%であることを特徴とする。 Further characterized in that the thermal expansion coefficient of the upper Symbol filler is 43 to 214% relative to the thermal expansion coefficient of the upper Symbol plate-shaped ceramic body.
本発明によれば、板状セラミックス体の表面または内部に複数の帯状の抵抗発熱体を形成し、上記板状セラミックス体の各抵抗発熱体に対応する位置に凹部を設けると共に該凹部に測温素子を備えたウェハ加熱装置において、上記板状セラミックス体の最外周に配設した複数の帯状の抵抗発熱体の少なくとも一つは、該抵抗発熱体を囲む領域の中心部に測温素子を備え、該対応する測温素子の近傍の電力密度が、上記測温素子に対応する帯状の抵抗発熱体の平均電力密度より小さくなるようにしたことによって、ウェハの温度が均一となりオーバーシュート量が小さくなった。また、ウェハ温度が設定温度となるまでの温度安定時間が短くなった。 According to the present invention, a plurality of strip-like resistance heating elements are formed on the surface or inside of a plate-like ceramic body, and a recess is provided at a position corresponding to each resistance heating element of the plate-like ceramic body. In the wafer heating apparatus including an element, at least one of the plurality of strip-shaped resistance heating elements disposed on the outermost periphery of the plate-shaped ceramic body includes a temperature measuring element at a central portion of a region surrounding the resistance heating element. the power density in the vicinity of the corresponding temperature measuring device, by which to be smaller than the average power density of the belt-shaped resistance heating element corresponding to the temperature measuring element, overshoot amount temperature becomes uniform wafer It has become smaller. In addition, it became the temperature stabilization time until the wafer temperature reaches the set temperature is rather short.
更に、温度サイクルを繰り返しても温度安定時間が変化する虞が小さく優れた特性を示した。 In addition, even if the temperature cycle was repeated, the temperature stabilization time was less likely to change and showed excellent characteristics.
以下、本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
図1は本発明に係るウェハ加熱装置1の一例を示す断面図で、炭化珪素、炭化硼素、窒化硼素、窒化珪素または窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスからなる板状セラミックス体2の一方の主面を、ウェハWを載せる載置面3とするとともに、他方の主面12にガラス又は樹脂等からなる絶縁層4を介して抵抗発熱体5を形成したものである。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a wafer heating apparatus 1 according to the present invention. One main part of a plate-like
抵抗発熱体5のパターン形状としては、略円弧状や直線状からなる略同心円状をしたものや渦巻き状をしたものなど、載置面3を均一に加熱できるパターン形状であれば良い。均熱性を改善するため、抵抗発熱体5を複数の抵抗発熱体5a、5b、5c、5d、5e、5fに分割することが好ましい。
A pattern shape of the resistance heating element 5 may be any pattern shape that can heat the mounting surface 3 uniformly, such as a substantially arc shape or a substantially concentric circle shape or a spiral shape. In order to improve the thermal uniformity, it is preferable to divide the resistance heating element 5 into a plurality of
また、板状セラミックス体2には各抵抗発熱体5a、5b、5c、5d、5e、5fに囲まれた各測温素子10a、10b、10c、10d、10e、10fを保持する凹部21a、21b、21c、21d、21e、21fが形成されている。各測温素子10a、10b、10c、10d、10e、10fとは、測温体10の先端部に位置する感熱部である。これらの各測温素子10a、10b、10c、10d、10e、10fは演算部82と制御部81に接続され、演算部82で制御する電圧値等の計算を行ない、これに基づき、制御部81から各抵抗発熱体5に対して所定の電圧を印加し、ウェハWの温度を均一化することができるようになっている。
The plate-like
また、各抵抗発熱体5は、金や銀、パラジウム、白金等の材質からなる給電部6が形成され、該給電部6に導通端子7を弾性体8を介して押圧固定することにより、導通が確保されている。 In addition, each resistance heating element 5 is formed with a power feeding portion 6 made of a material such as gold, silver, palladium, platinum, etc., and the conduction terminal 7 is pressed and fixed to the power feeding portion 6 via an elastic body 8. Is secured.
さらに、板状セラミックス体2と支持体11の外周にボルト17を貫通させ、板状セラミックス体2側より弾性体8、座金18を介在させてナット19を螺着することにより支持体11に弾性的に固定している。これにより、板状セラミックス体2の温度を変更したり載置面3にウェハWを載せ板状セラミックス体2の温度が変動したりした場合に支持体11に変形が発生しても、上記弾性体8によってこれを吸収し、これにより板状セラミックス体2の反りを防止し、ウェハWの表面に温度差が発生することを防止できる。
Further, bolts 17 are passed through the outer circumferences of the plate-like
また、支持体11は複数の層から構成された板状構造体13と側壁部からなり、該板状構造体13には抵抗発熱体5に電力を供給するための導通端子7が絶縁材9を介して設置され、不図示の空気噴射口が形成されている。
The
さらに、本発明の実施形態を詳細に説明する。図2は、板状セラミックス体2を抵抗発熱体5側から見た平面図であり、板状セラミックス体2には各抵抗発熱体5に対応する位置に凹部21が形成され、該凹部21には、図3に示すように測温素子10a、10b、10c、10d、10e、10fを配置し、充填剤22等により充填保持されている。
Further, embodiments of the present invention will be described in detail. FIG. 2 is a plan view of the plate-like
即ち、板状セラミックス体2の表面または内部に複数の帯状の抵抗発熱体5a、5b、5c、5d、5e、5fを形成し、上記板状セラミックス体2の対応する位置に凹部21a、21b、21c、21d、21e、21fを設けると共に該凹部21に測温素子10a、10b、10c、10d、10e、10fを備えている。そして、このウェハ加熱装置1において、上記板状セラミックス体2の最外周に配設した帯状の抵抗発熱体5a、5b、5c、5dの少なくとも何れか一つの帯状の抵抗発熱体5a、5b、5c、5d、例えば抵抗発熱体5aは、この対応する測温素子10aの近傍の電力密度が、上記帯状の抵抗発熱体5aの平均電力密度より小さくしてある。
その理由は、板状セラミックス体2に、室温に冷却されたウェハWが載置されると板状セラミックス体2はウェハWにより温度が下がってしまう。その時の板状セラミックス体2の温度は外周部に比べて、中央部の方が電力密度が小さいので、ウェハWへの熱の伝達により温度低下が大きくなる傾向がある。従って、中央部の電力印加時間は外周部の電力印加時間に比べ長くなるため、昇温の立ち上がりが急激になりオーバーシュートしてしまう。そのためウェハWの温度が安定するまでの温度安定時間が長かった。すなわち、本発明においては、測温素子10aの周りの電力密度を小さくすることにより、ウェハWの温度が安定するまでの時間を短くすることができるからである。
That is, a plurality of strip-like
The reason is that when the wafer W cooled to room temperature is placed on the plate-like
上記の電力密度とは、板状セラミックス体2に抵抗発熱体5aを形成した面12の各部の単位面積当たりに投入される電力値を示す。平均電力密度とは、抵抗発熱体5aの全抵抗値と電流から求めた電力値をその抵抗発熱体5aが形成された加熱面積で割った値である。通常抵抗発熱体5aの加熱面積は隣り合う抵抗発熱体5b、5d、5e、5fの中間線を境界線とする。
The power density indicates a power value input per unit area of each part of the
次に、測温素子10aの近傍の電力密度の算出方法を述べる。まず、測温素子10aの近傍とは、例えば測温素子10aに近接する抵抗発熱体5aの一部とその外側に近接する発熱抵抗体5aの一部との中心点P1、P2と、測温素子10aの中心を通る直線上において、上記2つの中心点P1、P2の間の距離をMとして、上記中心点P1またはP2を通り帯状の抵抗発熱体5aと並行する2本の中心線に囲まれる領域で、長さMの上記2本の中心線で囲まれた領域83を示す。また、領域83から凹部21を除く領域を領域84とする。そして、測温素子10aの近傍の電力密度とは、上記領域84内の2本の抵抗発熱体5aの一部の抵抗値とそこを流れる電流から求めた電力値を上記領域84の面積で除した値である。
Next, a method for calculating the power density near the
また、上記の長さMは、上記板状セラミックス体の凹部21の直径の1.5〜5倍の領域であることが望ましい。
Further, the length M is desirably a region that is 1.5 to 5 times the diameter of the
上記の近傍が、板状セラミックス体の凹部21の直径の1.5倍より小さいと測温素子の近傍の温度と全体の温度差が小さくなるため、昇温特性の改善効果が小さい。また、5倍より大きいと測温素子の近傍部とその他の領域との温度差が大きくなるので好ましくない。すなわち、測温素子の近傍の範囲であるMの長さが、測温素子の凹部21の外径の1.5〜5倍の領域であることが望ましく、1.5〜5倍の領域の場合、上記測温素子の近傍部の感度を上げることができる。つまり、内周側と外側の抵抗発熱体の昇温カーブを均一化することができ、ウェハWの温度が安定するまでの時間をさらに短くすることができる。
If the vicinity is smaller than 1.5 times the diameter of the
更に好ましくは、上記測温素子10aの近傍の電力密度が、上記帯状の抵抗発熱体5aの電力密度の40〜90%であることが望ましい。測温素子10aの近傍における電力密度比が40%より小さいと、板状セラミックス体2の温度が低いと制御部へ伝達され、電力の印加時間が長くなり、板状セラミックス体2からウェハWへの熱伝達(熱の輻射)が大きくなり過ぎ、ウェハWの温度が所定の温度より高くなってしまう。いわゆる、オーバーシュート量が大きくなる。逆に90%より大きいと、測温素子10aが外周部の板状セラミックス体2の温度の低下が小さいと判断し、出力を印加する時間が短くなるため、滑らかな昇温カーブとなる。従って、電力の印加が長い中央部の昇温は早いので、温度が安定するまでの温度安定時間が50秒以上となり好ましくない。
More preferably, the power density in the vicinity of the
なお、好ましくは、最外周の抵抗発熱体5a〜5dの全てにおいて、その対応する測温素子の近傍の電力密度を各抵抗発熱体5a〜5dの平均電力密度より小さくしておくことが好ましい。
Incidentally, preferably, all of the outermost
また、上記電力密度の調整は、抵抗発熱体の線幅や厚み、線間隔等を変化させて行なう。 The adjustment of the power density, the line width and thickness of the resistance heating element, will rows by changing the line spacing, and the like.
測温素子10a、10b、10c、10d、10e、10fとしては、測温素子、測温抵抗体等を用いることが可能である。材質については、熱電対であれば、Pt/Rh−Pt/Rh系、Pt/Rh−Pt系、Ni/Cr/Si−Ni/Si/Mg系、Ni/Cr−Al/Mn系、Ni/Cr−Cu/Ni系、Cu−Cu/Ni系、W−Re系等が、また測温抵抗体であれば、Pt抵抗素子が使用可能であり、使用雰囲気や温度に対して適切なものを選定すればよい。例えば、大気中300℃以下で用いるような場合には、Ni/Cr−Al/Mn系やPt/Rh−Pt系やNi/Cr−Cu/Ni系等が望ましく、還元性雰囲気下においては、Fe−Cu/Ni系等が望ましい。
As the
また、図3に示すように、測温素子10a、10b、10c、10d、10e、10fは、Pt抵抗素子等の測温抵抗体を用いることが望ましい。また、抵抗素子自体に樹脂コート・ガラスコート・セラミックコート等の絶縁材料をコーティングしたものを用いることも有効である。また、必要に応じて、充填保持部以降に絶縁スリーブ等を用いても良い。
Further, as shown in FIG. 3, it is desirable to use a resistance temperature detector such as a Pt resistance element for the
また、凹部21a、21b、21c、21d、21e、21fの開口部の面積は、1mm2〜30mm2とすることが望ましい。該凹部21a、21b、21c、21d、21e、21fの開口部の面積が1mm2より小さいと測温素子10a、10b、10c、10d、10e、10fの設置及び充填剤22の充填にムラが生じ易く測温がばらついてしまう。また、30mm2より大きいと、抵抗発熱体5間のギャップが大きくなり、ウェハW表面の温度分布が大きくなるので好ましくない。
The
また、凹部21a、21b、21c、21d、21e、21fの深さdは、板状セラミックス体2の厚みtに対し(1/4)t≦d≦(3/4)tとすることが望ましい。該深さdが(1/4)tより小さいと、ウェハ載置面との距離が長くなるため測温にずれが生じ、ウェハを目的の温度に昇温させられない。また、(3/4)tより大きくなると、逆に温度のオーバーシュート量が大きくなりすぎるため望ましくない。
The depth d of the
また、凹部21a、21b、21c、21d、21e、21fの底面とそれぞれに対応した測温素子10a、10b、10c、10d、10e、10fの先端との距離Lが、0≦L≦1.0mmであることがより望ましい。距離Lが1mmを超えると温度検知の応答性が遅れオーバーシュート量が大きめになるが、1.0mm以下とすることで、オーバーシュート量がより小さくなる。
Further, the distance L between the bottom surfaces of the
更に、凹部21a、21b、21c、21d、21e、21fに挿入設置する測温素子10a、10b、10c、10dの大きさは、30mm2以下が望ましい。30mm2より大きいと、測温素子10a、10b、10c、10d、10e、10f自体の熱容量が大きくなりすぎる為、素線を通しての熱引きが大きくなり温度検知に遅れが生じ、オーバーシュート量が大きくなり過ぎるため好ましくない。
Furthermore, the size of the
また、板状セラミックス体2の各抵抗発熱体5に対応する位置に凹部21を設けるとともに、該凹部21の測温素子10a、10b、10c、10dの位置は、板状セラミックス体1の最外周に配設した複数の帯状の抵抗発熱体5を囲む領域Rの重心G部付近に位置することが望ましい。重心Gから最外周部の凹部21の中心までの距離が、領域Rの板状セラミックス体2の直径方向の最大長さLの30%以上となると、外周の抵抗発熱体は、中心部の熱が集まり易いという影響を受けてしまい、外周部の上昇が遅くなり、安定するまで時間が長くなるので好ましくない。
In addition, a
更に、凹部21に測温素子10a、10b、10c、10d、10e、10fを保持するために用いる充填剤22は、板状セラミックス体2の熱伝導率に対し8.3〜150%の熱伝導率のものを用いる。熱伝導率の比率が8.3%未満になると、抵抗発熱体5より発生したジュール熱が、板状セラミックス体2を介して載置面3に伝わる速度に対し、充填剤22を介して測温素子10a、10b、10c、10d、10e、10fに伝わる速度が遅すぎる為、温度検知に遅れが生じ、オーバーシュート量が大きくなり過ぎるため好ましくない。また、150%を超えると、ジュール熱が板状セラミックス体2を介して載置面3に伝わる速度に対し、充填剤22を介して測温素子10a、10b、10c、10d、10e、10fに伝わる速度が速過ぎる為、載置面3が所定の温度に到達する前に、測温素子10a、10b、10c、10d、10e、10fが温度検知をし、抵抗発熱体5への電力供給を早く止めてしまい、その結果、昇温が遅くなる為、好ましくない。さらに好ましくは、板状セラミックス体2の熱伝導率に対して25〜100%の熱伝導率の充填剤を用いる方が良い。
Further, the
更に、上記充填剤の気孔率は、0.1〜50%の範囲にすることが好ましい。気孔率が0.1%未満になると、充填剤22の柔軟性が損なわれ、ウェハ加熱装置1に温度サイクルを加えた際、板状セラミックス体2と充填剤22との間に発生する熱応力を緩和出来なくなり、長期間、使用すると充填剤22が板状セラミックス体2より剥離してしまい、正確な温度制御が出来なくなる為、好ましくない。また50%を超えると気孔が断熱材として作用し、測定温度がなかなか安定しなくなるので好ましくない。さらに好ましくは、気孔率を0.5〜25%とする方が、耐久性が増加しオーバーシュート量が小さく良好なものになる。
Furthermore, the porosity of the upper Symbol fillers, 0. It is preferable to set it in the range of 1 to 50%. When the porosity is less than 0.1%, the flexibility of the
上記の気孔率の調整は、充填後常温でしばらく放置して脱泡を行なうなどして、巻き込んだ気泡を除去することにより調整することが好ましい。また、気孔率を増加させる手法としては、樹脂にカーボンや金属粉末のようなフィラーを混合する際の回転数や時間を調整することにより、増加させることができる。 Adjustment of the porosity may for a while left to defoaming after filling room temperature with rows of Unado, it is preferable to adjust by removing air bubbles engulfed. Moreover, as a method of increasing the porosity, it can be increased by adjusting the number of rotations and time when a filler such as carbon or metal powder is mixed into the resin.
更に充填剤22の熱膨張係数については、板状セラミックス体2の熱膨張係数に対して50〜200%の範囲のものが望ましい。充填剤22の熱膨張係数が上記の範囲外となると、加熱冷却の繰り返しの際に、熱膨張係数の差による応力により測温素子10が凹部21からはみ出してくるようになるので好ましくない。また、板状セラミックス体2との濡れ性も重要である。測温素子10と凹部21との間に隙間が発生するようであると、隙間が断熱層として作用し正確な温度が測定できず、所定の温度になるまでの時間が長くなるので好ましくない。さらに好ましくは、板状セラミックス体2の熱膨張係数に対して70〜140%の熱膨張係数を有する充填剤22を用いると良い。
Furthermore, the thermal expansion coefficient of the
また、本発明に使用する充填剤22としては、耐熱性樹脂にカーボンや窒化アルミニウム、ボロンナイトライド、金属粉末のように高熱伝導性を有する粉末を分散させたものを使用することができる。このように樹脂に、高熱伝導性粉末を分散させたタイプの充填剤22は流動性がいいので、充填時の作業性がよくなる。樹脂の種類としては、ポリイミド、ポリアミド、ポリイミドアミド等の耐熱温度が300℃以上の樹脂を用いることが好ましい。これに対し、耐熱温度が200℃以下のエポキシ樹脂、シリコン樹脂等を用いた場合、固着強度は高いが使用中に樹脂が炭化して脆くなり、測温素子10a、10b、10c、10d、10e、10fが剥離して正確な温度が測定できなくなる。また、熱伝導率を損なわないように充填すれば、充填剤22としてアルミナセメント等のセメント類を使用することも可能である。
Moreover, as the
さらに、図1において、金属製の支持体11は、側壁部と板状構造体13を有し、該板状構造体13には、その面積の5〜50%にあたる開口部が形成されている。また、該板状構造体13には、必要に応じて他に、板状セラミックス体2の抵抗発熱体5に給電するための給電部6と導通するための導通端子7、板状セラミックス体2を冷却するためのガス噴出口、板状セラミックス体2の温度を測定するための測温素子10を設置する。
Further, in FIG. 1, the
また、不図示のリフトピンは支持体11内に昇降自在に設置され、ウェハWを載置面3上に載せたり、載置面3より持ち上げたりするために使用される。そして、このウェハ加熱装置1により半導体ウェハWを加熱するには、不図示の搬送アームにて載置面3の上方まで運ばれたウェハWをリフトピンにより支持した後、リフトピンを降下させてウェハWを載置面3上に載せる。次に、給電部6に通電して抵抗発熱体5を発熱させ、絶縁層4及び板状セラミックス体2を介して載置面3上のウェハWを加熱する。
Also, the lift pins not illustrated is installed vertically movably in the
このとき、本発明によれば、板状セラミックス体2を炭化珪素質焼結体、炭化硼素質焼結体、窒化硼素質焼結体、窒化珪素質焼結体、もしくは窒化アルミニウム質焼結体により形成してあることから、熱を加えても変形が小さく、板厚を薄くできるため、所定の処理温度に加熱するまでの昇温時間及び所定の処理温度から室温付近に冷却するまでの冷却時間を短くすることができ、生産性を高めることができるとともに、60W/(m・K)以上の熱伝導率を有することから、薄い板厚でも抵抗発熱体5のジュール熱を素早く伝達し、載置面3の温度ばらつきを極めて小さくすることができる。しかも、大気中の水分等と反応してガスを発生させることもないため、半導体ウェハ上へのレジスト膜の貼付に用いたとしても、レジスト膜の組織に悪影響を与えることがなく、微細な配線を高密度に形成することが可能である。
At this time, according to the present invention, the plate-like
ところで、このような特性を満足するには、板状セラミックス体2の板厚を1mm〜7mmとすることが良い。これは、板厚が1mm未満であると、板厚が薄すぎるために温度ばらつきを平準化するという板状セラミックス体2としての効果が小さく、抵抗発熱体5におけるジュール熱のばらつきがそのまま載置面3の温度ばらつきとして現れるため、載置面3の均熱化が難しいからであり、逆に板厚が7mmを超えると、板状セラミックス体2の熱容量が大きくなり過ぎ、所定の処理温度に加熱するまでの昇温時間や温度変更時の冷却時間が長くなり、生産性を向上させることができないからである。
By the way, in order to satisfy such characteristics, the plate thickness of the plate-like
また、以上詳述した本発明のウェハ加熱装置1において、図1に示すように、板状セラミックス体2の表面に、絶縁層4を介して抵抗発熱体5を形成し、抵抗発熱体5を露出させてあることから、使用条件等に合わせて載置面3の温度分布が均一となるように、抵抗発熱体5にトリミングを施して抵抗値を調整することもできる。
Further, in the wafer heating apparatus 1 of the present invention described in detail above, as shown in FIG. 1, a resistance heating element 5 is formed on the surface of the plate-like
また、板状セラミックス体2を形成するセラミックスとしては、炭化珪素、炭化硼素、窒化硼素、窒化珪素、窒化アルミニウムのいずれか1種以上を主成分とするものを使用することができる。炭化珪素質焼結体としては、主成分の炭化珪素に対し、焼結助剤として硼素(B)と炭素(C)を含有した焼結体や、主成分の炭化珪素に対し、焼結助剤としてアルミナ(Al2O3)とイットリア(Y2O3)とを含有する、1900〜2200℃で焼成した焼結体を用いることができ、また、炭化珪素はα型を主体とするもの、あるいはβ型を主体とするもののいずれであっても構わない。
Moreover, as ceramics which form the plate-shaped
また、炭化硼素質焼結体としては、主成分の炭化硼素に対し、焼結助剤として炭素を3〜10重量%混合し、2000〜2200℃でホットプレス焼成することにより焼結体を得ることができる。 The boron carbide sintered body is obtained by mixing 3 to 10% by weight of carbon as a sintering aid with boron carbide as a main component, and performing hot press firing at 2000 to 2200 ° C. be able to.
そして、窒化硼素質焼結体としては、主成分の窒化硼素に対し、焼結助剤として30〜45重量%の窒化アルミニウムと5〜10重量%の希土類元素酸化物を混合し、1900〜2100℃でホットプレス焼成することにより焼結体を得ることができる。窒化硼素の焼結体を得る方法としては、他に硼珪酸ガラスを混合して焼結させる方法があるが、この場合は熱伝導率が著しく低下するので好ましくない。 In the boron nitride sintered body, 30 to 45% by weight of aluminum nitride and 5 to 10% by weight of rare earth element oxide are mixed as a sintering aid with respect to boron nitride as a main component, and 1900 to 2100. A sintered body can be obtained by hot-press firing at ° C. As another method for obtaining a sintered body of boron nitride, there is a method in which borosilicate glass is mixed and sintered. However, this is not preferable because the thermal conductivity is remarkably lowered.
また、窒化珪素質焼結体としては、主成分の窒化珪素に対し、焼結助剤として3〜12重量%の希土類元素酸化物と0.5〜3重量%のAl2O3、さらに焼結体に含まれるSiO2量として1.5〜5重量%となるようにSiO2を混合し、1650〜1750℃でホットプレス焼成することにより焼結体を得ることができる。ここで示すSiO2量とは、窒化珪素原料中に含まれる不純物酸素から生成するSiO2と、他の添加物に含まれる不純物としてのSiO2と、意図的に添加したSiO2 との総和である。 The silicon nitride sintered body is composed of 3 to 12% by weight of rare earth element oxide and 0.5 to 3% by weight of Al 2 O 3 as a sintering aid with respect to silicon nitride as a main component. A sintered body can be obtained by mixing SiO 2 so that the amount of SiO 2 contained in the bonded body is 1.5 to 5% by weight and performing hot press firing at 1650 to 1750 ° C. Here, the SiO 2 amount indicated, the SiO 2 generated from oxygen impurity contained in the silicon nitride in the raw material, and SiO 2 as an impurity contained in other additives, the sum of the SiO 2 was deliberately added is there.
また、窒化アルミニウム質焼結体としては、主成分の窒化アルミニウムに対し、焼結助剤としてY2O3やYb2O3等の希土類元素酸化物と、必要に応じてCaO等のアルカリ土類金属酸化物とを添加して十分混合し、平板状に加工した後、窒素ガス中1900〜2100℃で焼成することにより得られる。 In addition, as the aluminum nitride sintered body, a rare earth element oxide such as Y 2 O 3 or Yb 2 O 3 as an auxiliary sintering agent and an alkaline earth such as CaO as necessary with respect to the main component aluminum nitride. It is obtained by adding a metal oxide and mixing well, processing it into a flat plate shape, and then firing at 1900 to 2100 ° C. in nitrogen gas.
これらの焼結体は、その用途により材質を選択して使用する。例えば、レジスト膜の乾燥に使用する場合は、窒化物は水分と反応してアンモニアガスを発生し、これがレジスト膜に悪影響を及ぼすので使用できない。また、800℃程度の高温で使用する可能性のあるCVD用のウェハ加熱装置の場合は、ガラスを多く含む窒化硼素系の材料は、板状セラミックス体2が使用中に変形してしまい、均熱性が損なわれてしまう可能性がある。
These sintered bodies are used by selecting a material depending on the application. For example, when used for drying a resist film, a nitride reacts with moisture to generate ammonia gas, which cannot be used because it adversely affects the resist film. In the case of a wafer heating apparatus for CVD that may be used at a high temperature of about 800 ° C., the material of the boron nitride based containing a large amount of glass will deform the plate-shaped
さらに、板状セラミックス体2の載置面3と反対側の主面は、ガラスや樹脂からなる絶縁層4との密着性を高める観点から、平面度20μm以下、面粗さを中心線平均粗さ(Ra)で0.1〜0.5μmに研磨しておくことが好ましい。
Furthermore, the main surface opposite to the mounting surface 3 of the plate-shaped
一方、炭化珪素質焼結体を板状セラミックス体2として使用する場合、多少導電性を有する板状セラミックス体2と抵抗発熱体5との間の絶縁を保つ絶縁層4としては、ガラス又は樹脂を用いることが可能であり、ガラスを用いる場合、その厚みが100μm未満では耐電圧が1.5kVを下回り絶縁性が保てず、逆に厚みが500μmを超えると、板状セラミックス体2を形成する炭化珪素質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体との熱膨張差が大きくなり過ぎるために、クラックが発生して絶縁層4として機能しなくなる。その為、絶縁層4としてガラスを用いる場合、絶縁層4の厚みは100〜500μmの範囲で形成することが好ましく、望ましくは150〜400μmの範囲で形成することが良い。
On the other hand, when the silicon carbide sintered body is used as the plate-like
炭化珪素質焼結体からなる板状セラミックス体2の表面に絶縁層4を形成する場合、予め表面を酸化処理することにより、0.01〜2μm厚みのSiO2からなる酸化膜を形成した後、さらにその表面に絶縁層4を形成する。また、板状セラミックス体2を、窒化アルミニウムを主成分とするセラミック焼結体で形成する場合は、板状セラミックス体2に対する抵抗発熱体5の密着性を向上させるために、ガラスからなる絶縁層4を形成する。ただし、抵抗発熱体5の中に十分なガラスを添加し、これにより十分な密着強度が得られる場合は、省略することが可能である。
If the surface of the plate-shaped
次に、絶縁層4に樹脂を用いる場合、その厚みが30μm未満では、耐電圧が1.5kVを下回り、絶縁性が保てなくなるとともに、抵抗発熱体5にレーザー加工等によってトリミングを施した際に絶縁層4を傷付けてしまい、絶縁層4として機能しなくなり、逆に厚みが400μmを超えると、樹脂の焼付け時に発生する溶剤や水分の蒸発量が多くなり、板状セラミックス体2との間にフクレと呼ばれる泡状の剥離部ができ、この剥離部の存在により熱伝達が悪くなるため、載置面3の均熱化が阻害される。その為、絶縁層4として樹脂を用いる場合は、絶縁層4の厚みは30〜400μmの範囲で形成することが好ましく、望ましくは60〜200μmの範囲で形成することが良い。
Next, when a resin is used for the insulating
また、絶縁層4を形成する樹脂としては、200℃以上の耐熱性と、抵抗発熱体5との密着性を考慮すると、ポリイミド樹脂、ポリイミドアミド樹脂、ポリアミド樹脂等が好ましい。
Moreover, as resin which forms the insulating
なお、ガラスや樹脂から成る絶縁層4を板状セラミックス体2上に被着する手段としては、上記ガラスペースト又は樹脂ペーストを板状セラミックス体2の中心部に適量落とし、スピンコーティング法にて伸ばして均一に塗布するか、あるいはスクリーン印刷法、ディッピング法、スプレーコーティング法等にて均一に塗布した後、ガラスペーストにあっては600℃の温度で、樹脂ペーストにあっては300℃以上の温度で焼き付ければ良い。また、絶縁層4としてガラスを用いる場合は、予め炭化珪素質焼結体又は炭化硼素質焼結体から成る板状セラミックス体2を1200℃程度の温度に加熱し、絶縁層4を被着する表面を酸化処理しておくことで、ガラスから成る絶縁層4との密着性を高めることができる。
The means for depositing a
さらに、絶縁層4上に被着する抵抗発熱体5としては、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、パラジウム(Pd)等の金属単体を、蒸着法やメッキ法にて直接被着するか、あるいは上記金属単体や酸化レニウム(Re2O3)、ランタンマンガネート(LaMnO3)等の酸化物を導電材として含む樹脂ペーストやガラスペーストを用意し、所定のパターン形状にスクリーン印刷法等にて印刷した後、焼付けて上記導電材を樹脂やガラスから成るマトリックスで結合すれば良い。マトリックスとしてガラスを用いる場合は、結晶化ガラスおよび非晶質ガラスのいずれでも良いが、熱サイクルによる抵抗値の変化を抑えるために結晶化ガラスを用いることが好ましい。
Furthermore, as the resistance heating element 5 to be deposited on the insulating
ただし、抵抗発熱体5に銀又は銅を用いる場合は、マイグレーションが発生する虞があるため、このような場合には、抵抗発熱体5を覆うように絶縁層4と同一の材質もしくは抵抗発熱体5のマトリックス成分と同等の材質から成る保護膜を30μm程度の厚みで被覆しておけば良い。
However, when using the resistance heating element 5 Ginmata is copper, because there is a possibility that migration occurs, in such a case, the same material as the insulating
また、抵抗発熱体5を内蔵するタイプの板状セラミックス体2に関しては、熱伝導率が高く電気絶縁性が高い窒化アルミニウム質焼結体を用いることが好ましい。この場合、窒化アルミニウムを主成分とし焼結助剤を適宜含有する原料を十分混合した後、円盤状に成形し、その表面にWもしくはWCからなるペーストを抵抗発熱体5のパターン形状にプリントし、その上に別の窒化アルミニウム成形体を重ねて密着した後、窒素ガス中1900〜2100℃の温度で焼成することにより抵抗発熱体5を内蔵した板状セラミックス体2得ることが出来る。また、抵抗発熱体5からの導通は、窒化アルミニウム質基材にスルーホールを形成し、WもしくはWCからなるペーストを埋め込んだ後、焼成するようにして表面に電極を引き出すようにすれば良い。
For the plate-like
上記絶縁層4を形成するガラスの特性としては、結晶質又は非晶質のいずれでも良く、例えばレジスト乾燥用に使用する場合であれば、耐熱温度が200℃以上でかつ20℃〜200℃の温度域における熱膨張係数が板状セラミックス体2を構成するセラミックスの熱膨張係数に対して−5〜+5×10−7/℃の範囲にあるものを適宜選択して用いることが好ましい。即ち、熱膨張係数が上記範囲を外れたガラスを用いると、板状セラミックス体2を形成するセラミックスとの熱膨張差が大きくなりすぎるため、ガラスの焼付け後の冷却時において、板状セラミックス体2に反りが発生したり、クラックや剥離等の欠陥が生じたりし易いからである。
Examples of the properties of the glass forming the insulating
熱伝導率が100W/(m・K)の炭化珪素質焼結体からなる、板厚4mm、外径300mmの盤状をした板状セラミックス体を複数製作し、抵抗発熱体のブロック毎の温度を測定するための測温素子設置用の深さ2.3mm×1mmφの凹部を加工した。その後、1000℃×2時間の酸化処理により表面に酸化皮膜を形成し、各板状セラミックス体の一方の主面に絶縁層を被着するため、ガラス粉末に対してバインダーとしてのエチルセルロースと有機溶剤としてのテルピネオールを混練して作製したガラスペーストをスクリーン印刷法にて敷設し、150℃に加熱して有機溶剤を乾燥させた後、550℃で30分間脱脂処理を施し、さらに700〜900℃の温度で焼き付けを行なうことにより、ガラスからなる厚み200μmの絶縁層を形成した。
Thermal conductivity silicon carbide sintered body of the 100W / (m · K),
次いで、絶縁層上に抵抗発熱体を被着するため、導電材としてAu粉末とPt粉末を添加したガラスペーストを、スクリーン印刷法にて所定のパターン形状に印刷した後、150℃に加熱して有機溶剤を乾燥させ、さらに550℃で30分間脱脂処理を施した後、700〜900℃の温度で焼き付けを行なうことにより、厚みが50μmの抵抗発熱体を形成した。抵抗発熱体は中心部を2つと外周部を周方向に4分割した6個との構成とした。測温素子の周りの抵抗発熱体による電力密度の影響を確認するため、測温素子周りの電力密度をその個別の抵抗発熱体の平均電力密度に対して、20%〜120%のウェハ加熱装置を作製した。しかる後、抵抗発熱体に給電部を導電性接着剤にて固着させることにより、板状セラミックス体を製作した。 Then, for depositing a resistance heating element on the insulating layer, the Au powder and Pt powder glass paste was added as a conductive material, after printing a predetermined pattern by screen printing and heated to 0.99 ° C. the organic solvent was dried, was subjected to 30 minutes degreasing treatment at 550 ° C., by the row of Ukoto baked at a temperature of 700 to 900 ° C., the thickness was formed a resistance heating element 50 [mu] m. Resistive heating element has a structure of six was divided into four central portion two and the outer peripheral portion in a circumferential direction. In order to confirm the influence of the power density by the resistance heating element around the temperature measuring element, the wafer heating apparatus having a power density around the temperature measuring element of 20% to 120% with respect to the average power density of the individual resistance heating elements. Was made. After scolding, by fixing the power supply unit with a conductive adhesive to the resistance heating element was fabricated plate-shaped ceramic body.
その後、各抵抗発熱体の測温部の凹部に抵抗素子からなる測温素子を、先端測温部が上記凹部の底部に接するように埋め込み、間に充填剤を充填した。この充填剤としては、樹脂(ポリイミド)を流し込んで固定した。 Thereafter, the temperature measuring element composed of a resistor element in a recess of the temperature measuring portion of the resistance heating element, the tip temperature measuring unit is embedded in contact with the bottom of the upper Symbol recess, filled with the filler between. As this filler, resin (polyimide) was poured and fixed.
また、支持体は、主面の30%に開口部を形成した厚み2.5mmのステンレスからなる2枚の板状構造体を準備し、この内の1枚に、10本の導通端子を所定の位置に形成し、同じくステンレスからなる側壁部とネジ締めにて固定して支持体を準備した。 In addition, as the support, two plate-like structures made of stainless steel with a thickness of 2.5 mm having an opening formed on 30% of the main surface are prepared, and ten conductive terminals are predetermined on one of these plates. And a support body was prepared by fixing it with a side wall portion made of stainless steel by screw tightening.
その後、上記支持体の上に、発熱パターン形成部の略中央部に該凹部を形成し、測温素子を設置し、無機系の充填剤で保持固定した板状セラミックス体を重ね、その外周部を弾性体を介してネジ締めするウェハ加熱装置とした。 Thereafter, on the upper Symbol support, heating the substantially central portion of the pattern forming unit to form a recess in, the temperature measuring element is placed, superimposed inorganic holding fixed plate-shaped ceramic body with a filler, its periphery A wafer heating apparatus is provided in which the part is screwed through an elastic body.
そして、転写法により金ペーストからなる給電部を形成し、900℃で焼き付け処理した。 And the electric power feeding part which consists of gold paste was formed by the transfer method, and it baked at 900 degreeC.
ここでは、電力密度比と測温素子の配置との影響について調査した。また、板状セラミックス体の材質を窒化アルミニウムとし、それぞれのウェハ加熱装置の電力密度比は、90%、100%、110%、板状セラミックス体の凹部の位置の帯状の発熱体の重心Gからのずれ量Yを抵抗発熱体の板状セラミックス体の直径方向の幅の0%、10%、20%、30%と変えて、ウェハ加熱装置を作製した。そして、このようにして得られたウェハ加熱装置の導電端子に通電して150℃で保持し、載置面の上に載せたウェハ表面の温度分布をウェハの中心とウェハの半径の1/3および2/3の周上の8分割点の16点との合計17点の温度バラツキが1℃以内となるように温度コントローラーの設定温度を各抵抗発熱体毎に補正し、その設定バラツキを確認した。また、ウェハを外してウェハ加熱装置のみで60分以上保持した後、常温に維持されたウェハWを、加熱装置に投入し、載置面に載せた瞬間から150℃に安定するまでのウェハWのオーバーシュート量および150±0.5℃に安定するまでの温度安定時間を、各試料それぞれ5回ずつ計測し、その最大値を測定値とした。 Here, the influence of the power density ratio and the arrangement of the temperature measuring elements was investigated. The material of the plate-like ceramic body is aluminum nitride, and the power density ratio of each wafer heating device is 90%, 100%, 110%, from the center of gravity G of the belt-like heating element at the position of the concave portion of the plate-like ceramic body. The wafer heating device was manufactured by changing the deviation amount Y to 0%, 10%, 20%, and 30% of the width in the diameter direction of the plate-shaped ceramic body of the resistance heating element. Then, the conductive terminal of the wafer heating device thus obtained is energized and held at 150 ° C., and the temperature distribution on the wafer surface placed on the mounting surface is set to 1/3 of the wafer center and the wafer radius. And the temperature controller's set temperature is corrected for each resistance heating element so that the total temperature variation of 17 points with 16 points of 8 divided points on the circumference of 2/3 is within 1 ° C, and the setting variation is confirmed did. In addition, after removing the wafer and holding it for 60 minutes or more only with the wafer heating device, the wafer W maintained at room temperature is charged into the heating device and placed on the mounting surface until the wafer W is stabilized at 150 ° C. temperature stabilization time overshoot amount you and to stabilize the 0.99 ± 0.5 ° C. of the measures One not a five each sample was the maximum value and the measured value.
それぞれの結果は表1に示す通りである。
表1に示す結果から判るように、試料No.1,2のウェハ加熱装置は、測温素子の周りの電力密度が大き過ぎるため、抵抗発熱体の温度が高いと検知し、出力のかかる時間が短くなるため、外周部の温度が緩やかに上昇しオーバーシュート量が2℃、2.6℃と大きくなり、温度安定時間が61秒、67秒と長く、好ましくなかった。
As can be seen from the results shown in Table 1, Sample No. The 1 and 2 wafer heating devices detect that the temperature of the resistance heating element is high because the power density around the temperature measuring element is too high, and the time it takes to output is shortened, so the temperature at the outer periphery rises slowly.
これに対し、板状セラミックス体の凹部の位置を帯状の発熱体の重心Gの周方向のずれ量Xが20度、また、径方向のずれ量Yを凹部の抵抗発熱体の幅の内側20%、外側20%、電力密度比が100%より小さい試料No.3〜5は、オーバーシュート量が温度2℃未満で、温度安定時間が48秒以下と小さく、良好な過渡特性を示した。 On the other hand, the circumferential displacement amount X of the center of gravity G of the belt-like heating element is 20 degrees at the position of the concave portion of the plate-like ceramic body, and the radial displacement amount Y is 20 inside the width of the resistance heating element of the concave portion. %, Outer 20%, and power density ratio smaller than 100%. In Nos. 3 to 5, the overshoot amount was less than 2 ° C., the temperature stabilization time was as small as 48 seconds or less , and good transient characteristics were exhibited.
また、測温素子の配置を変えて試験した結果、板状セラミックス体の凹部の位置が、帯状の発熱体の重心Gからのずれ量Yが30%の試料No.6は、ウェハ温度が安定するまでの時間が51秒とやや長いのに対し、試料No.4,5は45秒、46秒と小さく好ましかった。 Was also tested by changing the arrangement of the temperature measurement element results, the position of the recess of the plate-shaped ceramic body, Sample No. shift amount Y is 30% from the center of gravity G of the strip heating element 6, compared somewhat long Ino time and 51 seconds to c E c temperature stabilizes, Sample No. 4 and 5 were 45 seconds and 46 seconds.
ここでは、測温素子の配置の影響について調査した。板状セラミックス体の材質を窒化アルミニウムとし、それぞれのウェハ加熱装置の板状セラミックス体の抵抗発熱体の測温素子の近傍部の領域を凹の径に対して、1.25、1.5、5、7.5倍の領域に変えて抵抗調整を行ない、ウェハ加熱装置を作製した。測温素子の位置は各抵抗発熱体の重心に位置した。このようにして得られたウェハ加熱装置の導電端子に通電して150℃で保持し、実施例1と同様にして、温度の調整を行なった。また、ウェハを外しウェハ加熱装置のみで60分以上保持した後、常温に維持されたウェハWを、加熱装置に投入、載置面に載せた瞬間から150±0.5℃に安定するまでの温度安定時間を、各サンプル5回ずつ計測し、その最大値を測定値とした。 Here, the influence of the arrangement of the temperature measuring element was investigated. The material of the plate-like ceramic body is aluminum nitride, and the region in the vicinity of the temperature measuring element of the resistance heating element of the plate-like ceramic body of each wafer heating device is 1.25, 1.5, the resistance adjusting rows that have changed to 5, 7.5 times the area, to produce a wafer heating apparatus. The temperature measuring element was positioned at the center of gravity of each resistance heating element. Thus by energizing the conductive terminals of the resulting wafer heating device to hold at 0.99 ° C., in the same manner as in Example 1, and the adjustment of the temperature line Tsu name. In addition, after removing the wafer and holding it for 60 minutes or more only with the wafer heating device, the wafer W maintained at room temperature is put into the heating device and is stabilized at 150 ± 0.5 ° C. from the moment it is placed on the mounting surface. the temperature stabilization time, measures not a One each sample five times to the maximum value and the measured value.
結果を、表2に示した。
表2に示す結果から判るように、試料No.21,24は、安定するまでの時間が改善されていない。これに対し、測温素子近傍の領域が凹径に対して、1.5〜5倍のNo.22,23は、安定するまでの時間が43秒以下と短く、好ましかった。 As can be seen from the results shown in Table 2, Sample No. 21 and 24, have not been improved time to stabilize. In contrast, the region near the temperature measuring device is to 凹径, 1. No. 5-5 times No. 22 and 23, time to stabilize is 43 seconds or less and rather short, was preferred.
ここでは、測温素子の近傍部の電力密度比の影響について調査した。板状セラミックス体の材質を窒化アルミニウムとし、測温素子の重心Gからのずれ量Yを0%とし、電力密度比(測温素子周辺の電力密度/抵抗発熱体の平均電力密度)を30〜95%の間としてウェハ加熱装置を作製した。 Here, the influence of the power density ratio in the vicinity of the temperature measuring element was investigated. The material of the plate-shaped ceramic body is aluminum nitride, the shift amount Y from the center of gravity G of the temperature measuring element and 0%, 3 power density ratio (average power density of the power density / resistance heating element near temperature measuring element) 0 A wafer heating device was made between ˜95%.
このようにして得られたウェハ加熱装置の導電端子に通電して150℃で保持し、実施例1と同様にして、温度の調整を行なった。また、ウェハを外しウェハ加熱装置のみで60分以上保持した後、常温に維持されたウェハWを、加熱装置に投入、載置面に載せた瞬間から150±0.5℃に安定するまでの温度安定時間を、各サンプル5回ずつ計測し、その最大値を測定値とした。 Thus by energizing the conductive terminals of the resulting wafer heating device to hold at 0.99 ° C., in the same manner as in Example 1, and the adjustment of the temperature line Tsu name. In addition, after removing the wafer and holding it for 60 minutes or more only with the wafer heating device, the wafer W maintained at room temperature is put into the heating device and is stabilized at 150 ± 0.5 ° C. from the moment it is placed on the mounting surface. the temperature stabilization time, measures not a One each sample five times to the maximum value and the measured value.
結果を、表3に示した。
表3に示す結果から判るように、試料No.31のウェハ加熱装置は、常温に維持されたウェハWを、150℃に加熱した載置面に載せ、載置面に載せた瞬間から150℃に安定するまでのウェハWのオーバーシュート量が1.7℃とやや大きく、また、150±0.5℃までに安定する時間も43秒とやや長かった。これは、測温素子周りの電力密度が平均電力密度より小さいことから、初期の温度が低いと検知し、その後出力する時間が長く続くため、150℃を超えてしまうオーバーシュート量が1.7℃と大きくなったものと考えられる。
As can be seen from the results shown in Table 3, the sample No. In the
また、試料No.32は温度安定時間が43秒で、オーバーシュート量が1.1℃とやや大きかった。 Sample No. 32 temperature stabilization time is 43 seconds, overshoot amount was slightly large as 1.1 ° C..
これに対し、試料No.32〜36は、オーバーシュート量が温度1.5℃未満で、温度安定時間が42以下と短く、良好な過渡特性を示した。 In contrast, sample no. 32 to 36 is the amount of overshoot is less than a temperature 1.5 ° C., the temperature stabilization time is 42 or less and rather short, exhibited good transient characteristics.
従って、測温素子近傍の電力密度が抵抗発熱体の平均電力密度の40から90%であると好ましいことが分った。 Therefore, it has been found that the power density in the vicinity of the temperature measuring element is preferably 40 to 90% of the average power density of the resistance heating element.
ここでは、測温素子を固定するための充填剤の熱伝導率の影響について調査した。この充填剤としては、熱伝導率が1〜150W/(m・K)となるように、熱伝導率が230〜420W/(m・K)であるAl、Cu、Ni等の粉末を適宜分散させた樹脂(ポリイミド)、セラミックスセメント(アルミナセメント)、ロウ材(Au−Cuロウ、Ag−Cuロウ)を流し込んで固定した。このようにして調合した充填剤を用いて、それぞれの板状セラミックス体の凹部に測温素子を固定し、ウェハ加熱装置を作製した。 Here, the influence of the thermal conductivity of the filler for fixing the temperature measuring element was investigated. As the filler, powders of Al, Cu, Ni, etc. having a thermal conductivity of 230 to 420 W / (m · K) are appropriately dispersed so that the thermal conductivity is 1 to 150 W / (m · K). The resin (polyimide), ceramic cement (alumina cement), and brazing material (Au—Cu brazing, Ag—Cu brazing) were poured and fixed. Using the thus adjusted if the filler, the temperature measuring element is fixed in the recess of each plate-shaped ceramic body to produce a wafer heating apparatus.
尚、作製したウェハ加熱装置の測温素子周りの電力密度はその個別の抵抗発熱体の平均電力密度に対して80%とした。 The power density around the temperature measuring element of the manufactured wafer heating apparatus was 80% with respect to the average power density of the individual resistance heating elements.
実施例1と同様な方法で温度の調整を行なった。また、常温に維持されたウェハWを、ウェハ加熱装置に投入し、載置面に載せた瞬間から150℃に安定するまでのウェハWのオーバーシュート量、および150±0.5℃に安定するまでの温度安定時間を測定した。さらに、40℃以下から250℃まで2分で昇温し、3分で40℃以下に強制空冷する温度サイクルを10000サイクル実施した。その後、常温に維持されたウェハWを、ウェハ加熱装置の150℃の載置面に投入、載置面にウェハを載せた瞬間から150℃に安定するまでのウェハWのオーバーシュート量、および150±0.5℃に安定するまでの温度安定時間を測定した。 The adjustment of the temperature line Tsu name in the same manner as in Example 1. In addition, the wafer W maintained at room temperature is put into a wafer heating apparatus and the overshoot amount of the wafer W from the moment it is placed on the mounting surface until it stabilizes at 150 ° C., and is stabilized at 150 ± 0.5 ° C. The temperature stabilization time until was measured. Furthermore, the temperature cycle in which the temperature was raised from 40 ° C. or lower to 250 ° C. in 2 minutes and forced air cooling to 40 ° C. or lower in 3 minutes was performed 10,000 cycles. Thereafter, the wafer W maintained at room temperature is placed on the mounting surface at 150 ° C. of the wafer heating apparatus, and the overshoot amount of the wafer W from the moment when the wafer is placed on the mounting surface until it is stabilized at 150 ° C., and 150 The temperature stabilization time until stabilization at ± 0.5 ° C. was measured.
それぞれの結果は表4に示す通りである。
表4から判るように、試料No.41、42、51、52に示すウェハ加熱装置は、充填剤の熱伝導率が小さく応答性が悪いため、オーバーシュート量が1.2〜1.6℃とやや大きく、温度安定時間は39〜40秒とやや長かった。 As can be seen from Table 4, sample no. In the wafer heating apparatus shown in 41, 42, 51, and 52, since the thermal conductivity of the filler is small and the responsiveness is poor, the overshoot amount is slightly large as 1.2 to 1.6 ° C., and the temperature stabilization time is 39 to 39. It was bought a little length and 40 seconds.
また、試料No.49、50、60は、充填剤の熱伝導率が大きい為、抵抗発熱体の発熱による熱が早く測温素子に伝わり、温度安定時間が40秒とやや長かった。 Sample No. 49,50,60, because a large thermal conductivity of the filler, transmitted to the heat quickly temperature measuring element due to heat generation of the resistance heating element, the temperature stabilization time is bought. Long and 40 seconds.
これに対し、板状セラミックス体の熱伝導率に対する充填剤の熱伝導率が8.3〜150%である試料No.43〜48とNo.54〜59は、常温に維持されたウェハWを、加熱装置に投入、載置面に載せた瞬間から150℃に安定するまでのウェハWのオーバーシュート量が1.1℃以下と小さく、また、150±0.5℃に安定するまでの温度安定時間も37秒以下となり、さらに良好な結果が得られた。 On the other hand, the sample No. 2 in which the thermal conductivity of the filler is 8.3 to 150% with respect to the thermal conductivity of the plate-like ceramic body. 43-48 and No.54~59 is the wafer W is maintained at room temperature, poured into pressurized thermal device, overshoot amount of the wafer W to be stabilized from the moment placed on the placement surface to 0.99 ° C. 1. The temperature stabilization time until the temperature was as low as 1 ° C. or less and stabilized at 150 ± 0.5 ° C. was also 37 seconds or less, and even better results were obtained.
ここでは、測温素子を固定するための充填剤の気孔率の影響について調査した。充填剤は、平均粒径1.0μmのカーボンを分散させたポリイミド樹脂を用い、混合時の攪拌速度と真空脱泡の程度を調整することにより、充填剤の気孔率を0.1〜50%の間で調整した。なお、気孔率は、同時に調整した樹脂を別途固化させて、その嵩比重を測定し、混合比から得られる理論密度との差を換算して気孔率とした。このようにして調整した充填剤を用いて、それぞれの板状セラミックス体の凹部に測温素子を固定し、ウェハ加熱装置を作製した。 Here, the influence of the porosity of the filler for fixing the temperature measuring element was investigated. The filler used is a polyimide resin in which carbon having an average particle size of 1.0 μm is dispersed, and the porosity of the filler is adjusted to 0.1 to 50% by adjusting the stirring speed at the time of mixing and the degree of vacuum defoaming. Adjusted between. The porosity was determined by separately solidifying the resin prepared at the same time, measuring the bulk specific gravity, and converting the difference from the theoretical density obtained from the mixing ratio. Using the filler thus adjusted, temperature measuring elements were fixed to the concave portions of the respective plate-like ceramic bodies, and wafer heating devices were produced.
そして、実施例1と同様な方法で温度サイクル試験前のオーバーシュート量と温度安定時間を測定した。温度サイクル試験は、40℃以下から250℃まで2分で昇温し、3分で40℃以下に強制空冷する温度サイクルを1サイクルとして実施した。評価方法は実施例1と同等な手法で、10000回の温度サイクル試験後にウェハ加熱装置の載置面を150℃に1時間以上加熱した後、常温に維持されたウェハWを、ウェハ加熱装置の載置面に載せ、載置面に載せた瞬間から150±0.5℃に安定するまでの温度安定時間を、各サンプル5回ずつ計測し、その最大値を測定値とした。 Then, to measure the overshoot amount before the temperature cycle test and temperature stabilization time in the same manner as in Example 1. In the temperature cycle test, a temperature cycle in which the temperature was raised from 40 ° C. or less to 250 ° C. in 2 minutes and forced air cooling to 40 ° C. or less in 3 minutes was performed as one cycle. The evaluation method is the same method as in Example 1, and after the temperature cycle test of 10,000 times, the mounting surface of the wafer heating device is heated to 150 ° C. for 1 hour or longer, and then the wafer W maintained at room temperature is replaced with that of the wafer heating device. placed on the mounting surface, the temperature stabilization time to stabilize from the moment placed on the placement surface to 0.99 ± 0.5 ° C., measured One not a respective sample 5 times, and the maximum value and the measured value.
結果を表5に示した。
表5に示す結果から判るように、気孔が0.05%の試料No.61は、温度サイクル試験前は常温に維持されたウェハWを、加熱装置に投入して、載置面に載せた瞬間から150±0.5℃に安定するまでの温度安定時間は36秒であったが、温度サイクルが10000サイクル試験後の結果は41秒となった。これは、温度サイクルの回数が増加すると板状セラミックス体と充填剤の熱膨張差により凹部から充填剤の抜けが生じたものによると考えられる。充填剤の気孔率が60%の試料No.69も、熱サイクル前の温度安定時間は37秒で良好であったが、温度サイクルが10000回後は40秒になった。 As can be seen from the results shown in Table 5 , the sample No. 61 shows that the temperature stabilization time from the moment when the wafer W maintained at room temperature before the temperature cycle test is put into the heating device to be stabilized at 150 ± 0.5 ° C. is 36 seconds. However, the result after a temperature cycle test of 10,000 cycles was 41 seconds. This is believed to be due to that exit from the recess of the filler caused by thermal expansion difference between you increase the number of temperature cycles and the plate-shaped ceramic body filler. Sample No. with a filler porosity of 60%. 69 also had a good temperature stabilization time of 37 seconds before the thermal cycle, but became 40 seconds after 10,000 temperature cycles.
これに対して、充填材の気孔率が0.1〜50%の試料No.62〜68は温度サイクルによる温度安定時間の変化量は小さく安定していた。これは、気孔が充填剤の弾性を向上させ、充填剤とセラミック基板の熱膨張差による応力を吸収しているものと判断できる。 On the other hand, the sample No. with a porosity of 0.1 to 50% of the filler is used. In 62 to 68, the amount of change in temperature stabilization time due to the temperature cycle was small and stable. This can be determined that the pores improve the elasticity of the filler and absorb the stress due to the difference in thermal expansion between the filler and the ceramic substrate.
ここでは、測温素子を固定するための充填剤の熱膨張係数の影響について調査した。板状セラミックス体の材質を窒化アルミニウムとし、充填剤の熱膨張係数を1.5〜14.3×10−6/℃と変化させた充填剤を用いて、それぞれのウェハ加熱装置の板状セラミックス体の凹部に測温素子を固定し、ウェハ加熱装置を作製した。 Here, the influence of the thermal expansion coefficient of the filler for fixing the temperature measuring element was investigated. Plate ceramics for each wafer heating apparatus using a filler in which the material of the plate ceramic body is aluminum nitride and the thermal expansion coefficient of the filler is changed to 1.5 to 14.3 × 10 −6 / ° C. A temperature measuring element was fixed to the concave portion of the body, and a wafer heating apparatus was produced.
このようにして得られたウェハ加熱装置の導電端子に通電して150℃で保持し、実施例5と同様にして、温度の調整を行なった。また、ウェハを外しウェハ加熱装置のみで60分以上保持した後、常温に維持されたウェハWを、加熱装置に投入、載置面に載せた瞬間から150±0.5℃に安定するまでの温度安定時間を、各サンプル5回ずつ計測し、その最大値を測定値とした。 Thus by energizing the conductive terminals of the resulting wafer heating device to hold at 0.99 ° C., in the same manner as in Example 5, and the adjustment of the temperature line Tsu name. In addition, after removing the wafer and holding it for 60 minutes or more only with the wafer heating device, the wafer W maintained at room temperature is put into the heating device and is stabilized at 150 ± 0.5 ° C. from the moment it is placed on the mounting surface. the temperature stabilization time, measures not a One each sample five times to the maximum value and the measured value.
また、実施例5と同様に温度サイクルを10000サイクル実施し、温度安定時間を測定した。評価は具体的には、充填剤として熱伝導率が1W/(m・K)であるポリイミド樹脂にカーボン、Al、Cu等の金属を分散させたものを用いて評価した。 Further, 10,000 temperature cycles were performed in the same manner as in Example 5, and the temperature stabilization time was measured. Specifically, the evaluation was performed using a filler obtained by dispersing a metal such as carbon, Al, or Cu in a polyimide resin having a thermal conductivity of 1 W / (m · K) as a filler.
結果を、表6に示した。
表6に示す結果から判るように、充填剤の熱膨張係数が板状セラミックス体の熱膨張係数に対して29%の試料No.71と熱膨張係数の比率が286%であるNo.79とは、サイクル前の温度安定時間は34秒、35秒と優れていたが、10000サイクル後の温度安定時間は41秒、40秒と長くなった。試料No.71,79は熱膨張係数の比が大きいので、熱サイクルにより測温素子の移動が起こり、温度安定時間がやや長くなった。 As can be seen from the results shown in Table 6 , the sample No. 2 has a thermal expansion coefficient of 29% relative to the thermal expansion coefficient of the plate-like ceramic body. No. 71 having a thermal expansion coefficient ratio of 286%. 79 and the temperature stabilization time of the previous cycle is 34 seconds, but was excellent and 35 seconds, the temperature stabilization time after 10000 cycles 41 seconds, and was rather long 40 seconds. Sample No. Since 71,79 has a large ratio of thermal expansion coefficient, the movement of the temperature measuring element by thermal cycling occurs, the temperature stabilization time was slightly long Kuna'.
これに対し、上記熱膨張係数の比が43〜214%である試料No.72〜78は、No.71、79のような熱サイクルによる測温素子の移動が発生し難いことから、温度サイクルにより温度安定時間が長くなる虞が小さく好ましいことが分った。 In contrast, a sample ratio above SL thermal expansion coefficient of forty-three to two hundred fourteen% No. 72-78 are No. Movement of the temperature measuring element caused by heat cycles from the unlikely to occur, such as 71,79, the temperature stabilization time is become longer fear has been found that good preferable reduced by temperature cycling.
1:ウェハ加熱装置
2:板状セラミックス体
3:載置面
4:絶縁層
5:抵抗発熱体
6:給電部
7:導通端子
8:弾性体
10:測温素子
11:支持体
21:凹部
22:充填剤
81:制御部
82:記憶部
W:半導体ウェハ
t:厚み
1: Wafer heating device 2: Plate-like ceramic body 3: Placement surface 4: Insulating layer 5: Resistance heating element 6: Feeding portion 7: Conductive terminal 8: Elastic body 10: Temperature measuring element 11: Support body 21: Recess 22 : Filler 81: Control unit 82: Storage unit W: Semiconductor wafer t: Thickness
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